JP6334155B2 - ガスタービン排気フレームのための互い違いの二重列のスロット付きエーロフォイル設計 - Google Patents

Description

本発明は一般に、ガスタービン技術に関し、より具体的にはガスタービンディフューザ排気フレームの設計に関する。

ガスタービンエンジンは従来より、周辺空気を受け入れ、排ガスまたは燃焼ガスを環状ディフューザに排出するように構成されている。燃焼ガスはその後、従来の排気筒を通って大気に排出される。

エンジンは、シングルまたはデュアルロータエンジンを含めた任意の従来の形態を採ることができ、これは１つまたは複数の圧縮機を備え、その後に燃焼器が続いており（または燃焼器の環状の配列）、この燃焼器の中で圧縮空気が燃料と混合され、点火されて燃焼ガスまたは排ガスを生成する。１つまたは複数の燃焼器の下流に１つまたは複数のタービン段が配設され、これは排ガスからエネルギーを抽出することでエンジンに動力を与え、同様に典型的には、例えば発電機などの負荷のために出力シャフトを介して出力動力を提供する。

ディフューザまたは排ガスフレームは典型的には、環状フレームを含んでおり、これは外側の環状の壁またはケーシングから半径方向内向きに離間された内側の環状の壁を有し、これらはその間に半径方向に環状の流れチャネルを画定することで、燃焼ガスをディフューザまたは排気筒に流す。フレームはまた典型的には、円周方向に離間され整列された半径方向に延在する複数の支柱を含んでおり、これらは内側の環状ケーシングと外側の環状ケーシングの間に配設されている。

現行のガスタービン排気フレーム設計では、内側環状部材から外側環状部材に負荷を移動させるのに単一の列の矩形の支柱が使用されている。各々の支柱の形状およびその断面積は、支柱を囲むエーロフォイルの形状および移動される全体の負荷に左右される。このタイプの構成では、エーロフォイルは相対的に長いため、特に部分負荷動作条件においてより大きな損失が生じる。

したがって断面積を小さくすることが可能であり、特に部分負荷条件において生じる性能損失がより小さくなる支柱／エーロフォイル構成を有することが望ましい。

米国特許出願公開第２０１１／００５２３７３号公報

例示であり非制限的な一実施形態において、本発明は、ガスタービン排気フレームを提供し、これは内側の略円筒形の壁、および内側の略円筒形の壁との間に環状の排ガス流路を確立する外側の略円筒形の壁と、内側の壁と外側の壁の間に半径方向に延在する複数のエーロフォイルとを備え、該複数のエーロフォイルは、第１および第２の軸方向に離間した円周方向に互い違いの列に配列されている。

別の例示の態様では、本発明は、ガスタービン排気ディフューザを提供し、これは環状の排ガス流れチャネルを画定する内側の略円筒形の壁および外側の略円筒形の壁を有するフレームと、内側の壁と外側の壁の間に半径方向に延在する複数のエーロフォイルとを有し、該複数のエーロフォイルは、第１および第２の軸方向に離間した円周方向に互い違いの列に配列されており、該第１および第２の軸方向に離間した円周方向に互い違いの列は、少なくとも部分的に軸方向に重なっている。

本発明のさらに別の態様では、ガスタービン排気ディフューザは、環状の排ガス流れチャネルを画定する内側の略円筒形の壁および外側の略円筒形の壁を有するフレームと、内側の壁と外側の壁の間に半径方向に延在する複数のエーロフォイルとを備えるフレームを有し、該複数のエーロフォイルは、第１および第２の環状の軸方向に離間した円周方向に互い違いの列に配列されており、複数のエーロフォイルの各々は、前縁と、後縁と、前縁の少なくとも一部に沿ってそれに隣接して半径方向に延在するスロットとを有し、該スロットは、エーロフォイルの片側に下流方向に角度を付けてエーロフォイルの反対側の出口まで延在する入口を有する。

ここで本発明を以下に特定される図面に関連してより詳細に記載する。

従来のガスタービンエンジンの概略図である。 従来のガスタービンディフューザ排気フレームの部分斜視図である。 本発明の一例であり非制限的な実施形態による、ガスタービンディフューザ排気フレームの部分斜視図である。 図２に示されるタイプの排気フレームに進入する排ガス流の概略図である。 図３に示されるタイプの排気フレームに進入する排ガス流の概略図である

図１に概略的に示されるのは、例示の産業ガスタービンエンジン１０であり、これは周辺空気１２を受け入れ、排気ガスまたは燃焼ガス１４を従来のやり方で環状ディフューザ１６に排出するように構成されている。ガスはその後、従来の排気組立体または排気筒１８を通って大気に排出される。

典型的にはエンジン１０は、シングルまたはデュアルロータエンジンであってよく、１つまたは複数の圧縮機と、燃焼器（図示せず）を備え、燃焼器の中で圧縮空気が燃料と混合され、点火され燃焼ガスまたは排ガス１４を生成する。燃焼器（複数可）の下流に１つまたは複数のタービン段（図示せず）が配設され、これは排ガス１４からエネルギーを抽出することでエンジン１０に動力を与え、同様に出力シャフト２０を介して出力動力を提供する。エンジン１０およびディフューザ１６は典型的には、中心線軸２２を中心として軸対称である。

図１に示されるディフューザ１６は、その上流端部に環状フレーム２４を含んでおり、これは環状の外側の壁またはケーシング２８から半径方向内向きに離間された環状の内側の壁またはバレル２６を有することで、環状の排ガス流チャネル３０を確立している。

内側の壁２６および外側の壁２８は、略円筒形の本体であり、外側の壁またはケーシング２８は、その長さに沿って典型的には排ガス流の方向で外向きに末広になってよいことが理解されよう。

図２は、内側の壁２６と外側の壁またはケーシング２８の間に延在する単一の円周方向の列の支柱／エーロフォイル組立体３０を示すためにディフューザフレーム２４を拡大している。

典型的には支柱またはエーロフォイルは、２つの部分で構築されており、この部分には、内部構造支柱構成要素３２（図４も参照されたい）と、内部支柱の周りに巻き付く外部エーロフォイル構成要素３４とが含まれる。便宜上、支柱／エーロフォイル組立体は、単にエーロフォイルと呼ばれる。内部支柱は典型的には、ディフューザを通って流れる燃焼ガスの高温に対して評価されていない材料で構築される。支柱の周りに巻き付いたエーロフォイルは、このような温度に耐えるように設計されている。

図３を参照すると、例示であり非制限的な一実施形態では、半径方向に延在するエーロフォイル３６は、内側の壁３８と外側の壁４０の間に固定されている。より具体的にはエーロフォイル３６は、２つの軸方向の離間した列４２、４４に配列されており、各々の列は、流れチャネル３０の周りの円周方向の離間した場所に複数のエーロフォイルを有する。各々のエーロフォイルは、内側の壁３８に装着された根元端部４６と、外側の壁４０に装着された先端部４８とを有し、各々のエーロフォイルは、前縁５０と後縁５２とを有する。

例示であり非制限的な一実施形態では、エーロフォイル３６の第１および第２の列４２、４４は、円周方向に互い違いにされる。換言すると円周方向で、エーロフォイルは、２つのそれぞれの列に交互に配置される。軸方向では列４２、４４は、図３および図５に示されるように完全に軸方向に離間される場合、あるいは部分的に重なる場合がある。

例示であり非制限的な一実施形態では、ディフューザ／排気フレームの性能を改善するために５０％の軸方向の重なりが示されているが、重なりの度合いは、特定の用途に基づいて最適な性能を提供するように調整することができる。

この例示であり非制限的な構成では、２つの列４２、４４の一方または両方における１つまたは複数のエーロフォイル３６は、細長いスロット５４を備えており、このスロットはそれぞれの前縁５０に隣接し、根元端部と先端部の間に半径方向に延在している。このスロットの半径方向の高さは、可変であり、エーロフォイルを内側および外側の壁に固定するために適切な空間を維持する必要があることが認識される。図５に最もよく見られるように、スロット５４は、フレームを通過する、よって内側の円筒形の本体２６を通過する長手方向の中心軸に対して鋭角にエーロフォイル３６内で内向きに角度が付けられる。スロット５４は、前縁５０から後縁５２に向かって下流方向に角度が付けられ、前縁に隣接延在するエーロフォイルの片側に入口５６、および後縁により近いエーロフォイルの反対側に出口５８を有する。スロットの角度は可変であるが、エーロフォイルに接近するおよび／または衝突する排ガスのスワール角度にほぼ一致するべきである。

このような構成の場合、支柱に到達する全負荷は、エーロフォイル３６の２つの列４２、４４に分割される。これにより、各々の内部支柱が、従来の単一の列の設計よりも小さな断面を有することが可能になる。具体的には、この構成によって、内部支柱３５（図５）および各々の列のエーロフォイル３６に関してより小さな軸方向の長さと、より小さな幅の両方が可能になり、これにより部分負荷運転において生じる性能損失が減少する。従来の設計と比べると、各々の支柱／エーロフォイル組立体の幅は、およそ５０％まで削減することができ、その長さはおよそ４０％まで削減することができる。２列構成によって可能になったより小さなエーロフォイルの断面はまた、エーロフォイルに関するいかなる構造上の問題も提起しないことによりスロット５４を組み入れやすくする。加えて２列設計によって、排ガスフレーム／ディフューザ自体のスチフネス／剛性が改善され、その一方でより均一な熱成長を促進させる。

図３に最もよく見られるように、および上記に指摘したように、スロット５４の角度は、フレーム内の排ガスのスワール角度とほぼ一致するように設計される。このような構成によって、ガスが回転運動から軸方向の流れに移行する際、ガスの流れを伸すことができ、よって性能を、特に部分負荷条件においてアイゼンする。

図４および図５は、従来の単一の列のエーロフォイルと、本明細書に記載される互い違いの二重の列構成の流れの比較を提供している。図４において、単一の列のスロットのないエーロフォイル３４の片側に沿って大きな乱流が形成されるのを見ることができる。一方図５は、２列構成を示しており、そこでは列４２、４４の両方の列内の全てのエーロフォイル３６はスロットが付けられており（５４で）、エーロフォイル３６を横切るより滑らかな流れを形成する。この点において、エーロフォイルの幅が縮小された２列構成によって、いずれの所与の軸方向の面にも流れの閉塞が余り形成されないことにも留意されたい。

様々な実施形態が本明細書に記載されているが、当業者によってその中の要素、変形形態または改良形態の様々な組み合わせを行なうことができ、それらは本発明の範囲内にあることが明細書から認識されるであろう。これに加えて、多くの修正を行なうことで、その基本的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させることもできる。したがって本発明は、本発明を実施することを目的として企図された最適な態様として開示される特定の実施形態に限定されるのではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内にある全ての実施形態を含むことが意図されている。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 周辺空気
１４ 排気または燃焼ガス
１６ 環状ディフューザ
１８ 排気筒
２０ 出力シャフト
２２ 中心線軸
２４ 環状ディフューザフレーム
２６ 環状の内側の壁またはバレル
２８ 環状の外側の壁またはケーシング
３０ 流れチャネル
３１ 支柱／エーロフォイル組立体
３２ 支柱構成要素
３４ 外部エーロフォイル構成要素
３６ エーロフォイル
３８ 内側の壁
４０ 外側の壁
４２、４４ 軸方向に離間した列
４６ 根元端部
４８ 先端部
５０ 前縁
５２ 後縁
５４ 細長いスロット
５６ 入口
５８ 出口

Claims (10)

1. 略円形の断面を有する内側の壁と、
   ガスタービンからの排ガス流に沿って半径方向外向きに末広になっている、略円形の断面を有する外側の壁と、
   前記内側の壁と前記外側の壁の間に規定された環状の排ガス流路と、
   前記内側の壁と前記外側の壁の間に半径方向に延在する複数のエーロフォイルとを備え、前記複数のエーロフォイルが、第１および第２の軸方向に離間した円周方向に互い違いの列に配列され、
   前記第２の軸方向に離間した円周方向に互い違いの列にあるエーロフォイルが、前記第１の軸方向の離間した円周方向に互い違いの列にあるエーロフォイルと少なくとも部分的に軸方向に重なり、
   前記複数のエーロフォイルの各々が、前縁および後縁と、前記内側の壁に装着された根元端部と、前記外側の壁に装着された先端部とを含むエーロフォイル部分を備え、
   １つまたは複数の前記エーロフォイルが、前記エーロフォイルの片側に前記前縁の少なくとも一部に沿ってそれに隣接する入口を有する半径方向に延在するスロットを備える、
   ガスタービン排気フレーム。
2. 少なくとも前記第１の列にある前記エーロフォイルの各々が、前記エーロフォイルの片側に前記前縁の少なくとも一部に沿ってそれに隣接する入口を有する半径方向に延在するスロットを備える、請求項１記載のガスタービン排気フレーム。
3. 前記第１および第２の列にある前記エーロフォイルの各々が、前記エーロフォイルの片側にそれぞれの前縁の少なくとも一部に沿ってそれに隣接する入口を有する半径方向に延在するスロットを備え、
   前記半径方向に延在するスロットが、前記後縁により近い前記エーロフォイルの反対側に出口を有し、
   前記第１および第２の軸方向に離間した円周方向に互い違いの列が、前記軸方向におよそ５０％だけ重なる、請求項１記載のガスタービン排気フレーム。
4. 環状の排ガス流れチャネルを画定する略円形の断面を有する内側の壁および略円形の断面を有する外側の壁を有するフレームと、
   前記内側の壁と前記外側の壁の間に延在する複数のエーロフォイルとを備え、前記複数のエーロフォイルが、第１および第２の軸方向に離間した円周方向に互い違いの列に配列され、該軸方向に離間した円周方向に互い違いの列が少なくとも部分的に軸方向に重なり、
   １つまたは複数の前記エーロフォイルが、前記１つまたは複数のエーロフォイルの片側の前縁の少なくとも一部に沿ってそれに隣接して半径方向に延在する入口を有するスロットを備える、ガスタービン排気ディフューザ。
5. 前記第１の列にある前記エーロフォイルの各々が、前記エーロフォイルの片側に前記前縁の少なくとも一部に沿ってそれに隣接して半径方向に延在する入口を有するスロットを備える、請求項４記載のガスタービン排気ディフューザ。
6. 前記第１および第２の列にある前記エーロフォイルの各々が、それぞれの前縁の少なくとも一部に沿ってそれに隣接して半径方向に延在する入口を有するスロットを備える、請求項４記載のガスタービン排気ディフューザ。
7. 各々のスロットが、前記内側の壁の長手方向の中心軸に対して鋭角に配向され、前記エーロフォイルの片側の入口から前記エーロフォイルの反対側の出口まで延在する、請求項４乃至６のいずれかに記載のガスタービン排気ディフューザ。
8. 環状の排ガス流れチャネルを画定する略円形の断面を有する内側の壁および略円形の断面を有する外側の壁を有するフレームと、
   前記内側の壁と前記外側の壁の間に延在する複数のエーロフォイルとを備え、前記複数のエーロフォイルが、第１および第２の環状の軸方向に離間した円周方向に互い違いの列に配列され、前記複数のエーロフォイルの各々が、前縁および後縁と、該前縁の少なくとも一部に沿ってそれに隣接して半径方向に延在するスロットとを有し、該スロットが前記エーロフォイルの片側に、前記エーロフォイルの反対側の出口まで下流方向に角度を付けて延在する入口を有するガスタービン排気ディフューザ。
9. 各々のスロットが、前記ディフューザに進入するガス流のスワール角度とほぼ一致するように角度が付けられ、
   各々のスロットが、前記内側の壁の長手方向の中心軸に対して鋭角に配向される、請求項８記載のガスタービン排気ディフューザ。
10. 前記第１および第２の軸方向に離間した円周方向に互い違いの列が、少なくとも部分的に軸方向に重なり、
    前記第１および第２の軸方向に離間した円周方向に互い違いの列が、およそ５０％だけ前記軸方向に重なる、請求項８または９記載のガスタービン排気ディフューザ。